用于关节控制器、感知、人工智能计算和电源的人形机器人PCB

人形机器人PCB板是机器人领域电子元件密度最高的电路板之一。一个人形机器人可以在一个与人体尺寸相仿的机械外壳内集成数十个关节控制器、大电流电机驱动器、力矩传感器、感知摄像头、麦克风、触觉传感器、中央人工智能计算单元、电池管理系统以及紧凑型互连电路。

本指南从工程和制造的角度解释了人形机器人PCB的设计。内容涵盖分布式关节电子元件、中央计算、感知、电源架构、机械集成、散热限制、快速迭代和生产测试。此外，本指南还用简洁明了的行业问题取代了供应商式的常见问题解答，这些问题更便于搜索和买家学习。

人形机器人电子产品的独特之处

在机器人系统中的作用

人形机器人是机器人领域电子元件密度最高的平台之一。现代人形机器人拥有20-40个可动关节、多个感知传感器、用于规划和控制的高性能计算能力以及电池供电——所有这些都封装在一个与人体大小相仿的外形内。人形机器人电子元件的独特之处在于：

• 分布式关节控制： 每个关节配备一个伺服控制器。结构紧凑、重量轻、性能卓越的电子元件。
• 力和扭矩传感： 关节扭矩传感，有时还包括身体层面的力传感。实现柔顺运动。
• 高带宽中央计算： 在高性能 SoC 或 GPU 上进行规划、感知和协调。
• 视觉和感知： 多摄像头，有时具备深度感应功能，有时具备触觉感应功能。
• 电池电量： 续航时间目标为30分钟至数小时。电池质量和能效都至关重要。
• 紧凑型包装： 关节电子元件安装在肢体结构内部。中央电子元件安装在躯干内。

控制设计风险

对于人形机器人PCB而言，可制造性方面的考量应在连接器布局、外壳适配、夹具操作、散热路径和线束布线等细节最终确定之前进行。后期对这些细节的更改通常会导致机械返工、测试夹具重新设计或可靠性降低，而这些原本可以通过早期的可制造性设计审查来避免。

元器件选择应考虑其生命周期状态、已批准的替代元件、封装可用性、温度等级以及相关的安全或隔离等级。人形机器人PCB的生产或使用周期通常比消费电子产品更长，因此，未解决的采购风险不仅会成为采购问题，还会影响现场支持。

在系统层面，电路板的设计应基于功能、环境、使用寿命和测试覆盖率，而不仅仅是原理图。这可以避免常见的错误，即设计出技术上正确但难以装配、难以维护或安装到机器人后不够坚固的PCB。

应根据机器人控制PCB制造、执行器驱动器PCB设计以及机械关节的热预算来审查关节电子元件。

联合控制器电子

关节控制器电子元件的关键设计选择

人形机器人的关节控制器电子元件通常将电机驱动、编码器和通信功能集成在一个紧凑的封装内。主要考虑因素包括：

• 紧凑的外形： 关节控制器安装在执行器壳体内。常见的PCB形状为圆形或长条形。
• 每个关节的电机驱动： 带FOC的BLDC或PMSM驱动器。编码器接口用于闭环控制。
• 扭矩感应： 应变计或反作用力矩传感器集成于关节中。关节控制器上的信号调理。
• 通讯： EtherCAT 或类似的确定性协议连接到中央控制器。
• 热管理： 执行器热环境中的关节控制器。热量通过结构扩散。
• 电缆和连接器： 每根接头处的电缆即可实现电力、通信和安全功能。电缆的弯曲寿命至关重要。

制造和可靠性方面的考虑

可靠性取决于电路板设计中预留的裕量：铜箔宽度、隔离间距、散热、连接器固定、元件降额以及检测覆盖范围。制造部门应验证这些特性，而不是将PCB视为通用组件，采用通用的合格/不合格测试。

应通过带标签的连接器、易于访问的测试点、清晰的电路板型号以及序列号跟踪来考虑可维护性。当机器人现场发生故障时，良好的电路板级诊断功能可以让维修团队快速定位问题，而无需更换大型组件或退回整个机器人。

实际操作中，应选择满足信号、安全、散热和机械性能要求的最简单的结构。规格过高会增加成本，而规格过低则会导致测试或现场部署期间需要返工。

用于规划和协调的中央计算机

用于规划和协调的中央计算的关键设计选择

人形机器人上的中央计算单元负责处理最高级别的规划、感知和协调工作负载。现代平台大量使用人工智能计算能力。主要考虑因素包括：

• 人工智能加速器： GPU 或 NPU 运行感知和行为模型。这是当前一代人形机器人的标配。
• 多摄像头视觉： 立体深度摄像头、全景摄像头或特定任务摄像头。多千兆接口。
• IMU和传感器融合： 高精度IMU用于平衡；传感器融合将IMU与关节反馈和视觉相结合。
• 运动协调： 多个关节的协调控制。千赫兹速率的确定性计时。
• 通讯： 无线外部通信加上有线内部总线。
• 存储： 日志、地图、模型和应用程序数据存储在 eMMC 或 SSD 上。

制造和可靠性方面的考虑

测试覆盖率要求会随着可靠性要求而变化。消费类应用所需的测试覆盖率低于工业应用；工业应用所需的测试覆盖率低于医疗应用；医疗应用所需的测试覆盖率低于安全关键型应用。使测试覆盖率与实际需求相匹配，既能控制成本预算，又能提供应用所需的可靠性保障。

制造文档在设计阶段往往投入不足，事后补建成本高昂。生产过程中收集的单元测试记录有助于多年后的现场调查；组件批次追溯性则有助于对现场退货进行事后分析。尽早规划文档的项目能够拥有所需的记录；而后期添加文档的项目往往会丢失原本需要的数据。

感知板需要来自传感器接口组件的干净数据以及视觉相机PCB上的受控布线。

感知：视觉、听觉、触觉、惯性测量单元

影响感知的关键设计选择

人形机器人的感知通常整合多种传感器模式。主要的感知子系统包括：

• 愿景： 立体相机、全景相机或鱼眼相机。有时也用深度相机。
• 音频： 用于语音识别和声音定位的麦克风阵列。
• 触： 手部和身体上分布着触摸传感器，可实现安全交互。
• 力和力矩： 关节扭矩加末端执行器力感应。
• IMU： 身体姿态估计。结合关节反馈，获取全身状态信息。
• 接近： 超声波或红外线用于近距离障碍物检测。

制造和可靠性方面的考虑

生产过程中的供应链可视性会影响成本和可靠性。具备主动采购能力的制造商能够应对原本会导致生产中断的配额周期；而缺乏主动采购能力的制造商则会将供应问题转嫁给客户。主动采购的价值在行业整体短缺时最高，在供应稳定时最低。

设计迭代周期受益于紧密的设计-制造反馈。能够及时提供DFM反馈的制造合作伙伴可以加快迭代速度；而反馈缓慢或流于表面的合作伙伴则会相应减慢迭代速度。那些部分基于反馈质量选择制造合作伙伴的项目，通常比那些仅以最低报价为选择标准的项目更快地完成原型制作阶段。

中央计算模块和关节模块也必须与分布式机器人电源级相匹配，以便电压下降和恢复行为可预测。

用于电池供电运行的电源架构

电池供电运行的电源架构选择

人形机器人的电源架构需要在电池质量和运行时间之间取得平衡。主要考虑因素包括：

• 电池选择： 锂离子电池能量密度高。目前人形机器人采用NMC或NCA化学标准。
• 电力调配： 多路供电；运动功耗与计算功耗分离。支持选择性关机以进行电源管理。
• BMS： 集成电池监控和安全功能的电池组管理。
• 充电： 可选择外接充电器或自充电底座充电。有时优先考虑快速充电功能。
• 备用管理： 唤醒和睡眠模式可在闲置期间延长电池寿命。
• 电力预算： 连续功耗与峰值功耗的规模决定了运行时间和峰值能力之间的权衡。

电池供电运行的电源架构验证要求

产量区间经济效益对不同生产规模下工艺选择的影响各不相同。年产量100,000万件时有效的工艺，在年产量500件时往往无效；原型制作阶段适用的工艺，在大批量生产时往往不适用。根据实际产量匹配制造方法，才能确保每个产量区间的经济效益。

监管认证义务因应用和市场而异。客户提交的生产证明材料要求可能从极少（例如非监管市场的消费品）到非常详尽（例如保存期限严格的医疗器械）不等。在报价时明确认证要求的项目能够确保生产流程的正确设置；而后期添加认证要求的项目则有时需要对流程进行调整。

机械集成约束

机械集成约束的关键设计选择

机械集成通常是人形机器人电子设备的主要制约因素。关节电子设备安装在执行器外壳内；中央电子设备安装在躯干内；电缆穿过肢体结构。主要考虑因素包括：

• 电路板轮廓灵活性： 符合机械外形尺寸要求的非矩形形状。关节控制器的标准配置。
• 热路径： 电子元件向结构材料的热传递。有时冷却能力有限。
• 振动和冲击： 人形机器人的运动会对电子元件造成巨大的机械应力。
• 电缆设计： 柔性电缆能够承受反复的关节运动。刚柔结合应用广泛。
• 可维修性： 电子元件易于维修，但包装体积较大，这是两者之间的权衡。
• 重量预算： 在人形平台上，每一克重量都至关重要。组件选择必须考虑质量因素。

制造和可靠性方面的考虑

由同一制造合作伙伴集中生产，可以保留跨代产品积累的机构知识。拥有多代类似产品制造经验的合作伙伴深谙具体问题，了解哪些工艺调整可以提高良率，以及哪些设计模式易于制造。这些知识无法轻易转移给新的合作伙伴。

持续的工程制造对话能够随着时间的推移，改善产品本身和供应商关系。反馈给工程部门的良率数据有助于改进设计；反馈给现场的数据则有助于改进设计和制造工艺。积极开展这种对话的项目，其产品在各个世代中都能不断进步。

有关相邻设计决策，请参阅机器人关节的伺服和 BLDC 控制器 PCB以及用于人形机器人感知的机器人视觉相机 PCB。

Highleap公司生产人形机器人PCB板

生产前DFM审查

Highleap公司生产人形机器人电子设备，其专业领域涵盖紧凑型多板机器人。具体功能包括：

• 紧凑型电路板： 非矩形轮廓、HDI结构、细间距SMT。
• 刚柔结合： 用于连接接头的柔性连接段。静态和动态柔性结构。
• 多板协调： 制造分布式联合架构所需的众多类似电路板。
• 紧凑型PCBA： 高密度布局，精细间距控制。
• 中央计算制造： 具有可控阻抗和散热管理功能的AI加速板。
• 集成支持： 用于完整人形电子子组件的多板测试和整机组装。

测试、可追溯性和构建交接

机器人制造工艺融合了多种传统电子领域的实践经验。例如，消费电子领域注重成本控制和批量生产；工业电子领域强调可靠性工程和长使用寿命；汽车电子领域关注振动和环境适应性；医疗电子领域则强调文档记录和可追溯性。机器人技术正是受益于这些经验的融合。

将制造业视为战略性环节——例如投资于供应商关系、共享预测信息、协调产能——的项目，通常比将制造业视为交易性环节的项目表现更佳。交易性的做法虽然节省了谈判时间，但却错失了长期供应商合作关系带来的累积效益。

人形机器人PCB常见问题解答

人形机器人PCB的设计难点是什么？

人形机器人PCB板集成了高密度封装、众多分布式执行器、人工智能计算、电池供电、感知传感器、力感应、严格的重量限制以及可移动的机械结构。由于人形机器人平台在开发过程中变化迅速，因此电路板必须尺寸小、散热效率高、抗震且易于迭代。

一个人形机器人内部通常有多少块印刷电路板？

模块数量因架构而异，但人形机器人通常包含中央计算板、电池和电源板、通信板、感知板、躯干接口板，以及每个关节或肢体节段的一个或多个模块。拥有20到40个可驱动关节的平台可能包含许多重复的关节控制器组件。

为什么人形机器人要使用分布式关节控制器？

分布式关节控制器可以降低布线复杂度，缩短传感器和电机路径，提高局部电流环路性能，并使关节模块更易于更换。它们还需要可靠的确定性通信、紧凑的电源供应、执行器内部的散热路径以及跨多个重复电路板的测试覆盖率。

刚挠结合技术在人形机器人电子器件中何时有用？

刚挠结合板适用于需要安装在肢体内部、穿过关节或替代会反复弯曲的线束等情况。它可以减少连接器数量并节省空间，但需要仔细规划弯曲半径、机械支撑、材料选择和制造控制，以避免疲劳失效。

人形机器人的AI计算板应该如何设计？

AI计算板需要高速内存、摄像头接口、存储空间、电源调节、散热路径，以及足够的性能余量来应对感知和规划工作负载。设计必须平​​衡性能、散热、重量和电池续航时间。许多早期平台采用模块化设计；而更大批量生产的设计可能会转向定制载板或计算板。

人形机器人中常见的电源架构是什么？

人形机器人通常使用高能量电池组，通过分布式直流电源为关节驱动、计算、传感器和通信供电。其架构必须能够管理峰值执行器电流、能量回收、电源轨顺序、安全关断和状态监控。由于电池质量会影响运动性能，因此功率密度和效率尤为重要。

在原型制作过程中，人形机器人PCB是如何测试的？

原型测试应分别验证每个电路板，然后测试集成链路：关节运动、编码器反馈、扭矩传感、通信时序、功耗、温升、固件更新和故障响应。由于人形机器人迭代速度很快，测试夹具应支持多次修改，而不仅仅是最终产品。

人形机器人PCB制造包中应该包含哪些内容？

应包含制造文件、叠层图、物料清单 (BOM)、布局数据、装配图、机械外形约束、刚挠性弯曲要求（如有）、测试程序、固件说明、连接器引脚图、热接口说明以及序列化要求。重复连接的电路板还应定义变体控制，以确保每个连接处都使用正确的电路板。

发送人形机器人PCB文件以进行关节控制器和电源审核